基于射频无线的数据采集系统及其应用

2019-11-03 09:23:58

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供稿：网友

黄继战，肖兴明，王　鹏

　　(中国矿业大学机电学院，江苏徐州 221008)

　　摘　要：介绍将现代计算机技术和射频无线技术相结合的无线数据采集系统。以串行通信方式实现采集数据的半双工无线传输，适合于低功耗短距离无线数据采集，并具有抗干扰能力强等优点；最后介绍了其在提升系统钢丝绳张力实时检测系统中的应用。

　　关键词：无线传输；射频；串行通信

　　Wireless Data Acquisition System Based on RF and Its application

　　HUANG Jizhan, XIAO Xingming, WANG Peng

　　(College of Mechatronic, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

　　Abstract: This paper mainly introduces the wireless data acquisition system which combines technologies of computer science and RF wirelessness.With the serial communication it realizes the semiduplex wireless transmission,adapts to wireless data acquisitions of low power and short distance, and resists disturbance well. This paper also introduces its application in testing forces of the steely rope in hoist system.

　　Key Words: wireless transmission; RF; serial communication

　　1系统组成及功能

　　无线检测系统由上位机(PC或ipC)和下位机(单片机)组成。上位机主要完成上传采集数据的实时处理和显示，并进行判断，若超过设定值，则进行声光报警；下位机主要完成数据采集和数据传输控制。上位机和下位机的信息交换以射频无线的方式实现，采用半双工的工作方式，FSK频率工作在ISM频段，不需要申请，所需时钟频率为4MHz，图1为射频无线数据采集系统组成框图。

　　2RF收发器nRF401

　　2.1基本结构

　　nRF401是NORDIC公司的单片UHF收发芯片，工作在433/315MHz ISM频段；具有频移键控(FSK)调制解调功能，采用PLL频率合成技术，频率稳定性好；最高工作速率可达20kbps，最大可调发射功率为10dBm，天线设计为差分方式；功耗低，接收待机状态仅为8μA；工作电压2.7～3.6V。它的内部结构如图2所示。

　　2.2典型应用

　　nRF401只需搭配较少的外围元器件即可组成收发一体的无线收发系统，其应用原理图如图3所示，各引脚功能说明如下：脚1(XC1)：晶振输入；脚2、8、13(VDD)：电源(+5V DC)；脚3、7、14、17(VSS)：地(0V)；脚4(FILT)：回路滤波器；5脚(VCO1)：外接电感；6脚(VCO2)：外接电感；9脚(DIN)：数据输入；10脚(DOUT)：数据输出；11脚(RFPWR)：发射功率设置；12脚(FREQ)：通道选择；15脚(ANT1)：天线端；16脚(ANT2)：天线端；18脚(PWRUP)：电源开关；19脚(TXEN)：发射接收控制，TXEN=“1”为发射模式，TXEN=“0”为接收模式；20脚(XC2)：晶振输出。

　　2.3应用要点

　　(1)天线的发射和接收

　　当nRF401为接收模式时，引脚ANT1和ANT2提供射频输入到内部低噪声放大器LNA；当nRF401是发射模式时，从功率放大器提供射频输出到天线。天线连接到nRF401是差动形式，在天线通道推荐的负载阻抗是400Ω。

　　(2)VCO电感使用高质量的片式电感，Q＞45，最大误差±2％。

　　(3)发射和接收频率

　　为了得到最好的RF性能，发射和接收频差不能超过70ppm(30kHz)，这就要求晶振的稳定度不低于±35ppm。

　　(4)发射和接收模式之间的转换延时

　　在实际应用时，应注意模式转换之间的延时，从接收模式转换为发射模式的转换时间至少1ms，从发射模式转换为接收模式的转换时间至少3ms。

　　3在煤矿提升系统钢丝绳张力监测中的应用

　　在提升系统钢丝绳张力无线实时检测系统中，上下位机与无线收发模块接口电路原理图如图4、图5所示。上位机采用工控机IPC，经串口电平匹配后，与无线收发模块nRF401相连；IPC机内含标准的RS232C串行接口，MAX232用于电平转换，而单片机PD6口与nRF401引脚TXEN连接来控制无线收发模块的发射和接收状态。下位机采用基于RISC结构的ATmega8单片机，用来控制前端数据采集和无线传输模块。

　　4数据传输可靠性措施

　　射频无线采集系统的一个关键问题是传输的可靠性，即如何保证传输误码率控制在一定的范围内，根据相关理论和实践，可采取以下方法来达到本系统要求。

　　(1)数据帧结构由1位起始位，8数据位，1位校验位，1位停止位构成，每帧长度为11位；

　　(2)数据位先通过对信源进行编码，然后采用CRC循环编码技术进行信道编码，最后发射出去；收端接收后，进行信道解码，能够检出2错码和纠正2个错码，可大大提高数据无线传输的可靠性；

　　(3)结合超短波传播的原理和特点，为更好的接收数据，本系统采用定向发射定向接收，增加数据传输的可靠性。

　　参考文献

　　［1］黄智伟.无线数字收发电路设计［M］.电子工业出版社，2003.

　　［2］nordic.Nordic VLSI ASA PRODUCT SPECIFICATION［Z］.2002.

摘自仪表技术

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